ダクトファン

航空学において、ダクトファンは円筒形のダクトまたはシュラウド内に取り付けられた推力発生用の機械式ファンまたはプロペラです。他の用語にはダクトプロペラ、シュラウドプロペラなどがあります。^[1]垂直離着陸 ( VTOL ) 用途で使用される場合は、シュラウドローターとも呼ばれます。^[2]

ダクテッド ファンは、飛行機、飛行船、ホバークラフト、動力付きVTOL 航空機など、多くの種類の乗り物で推進力や直接揚力を得るために使用されています。多くの現代の旅客機で使用されている高バイパス ターボファン エンジンは、ダクテッド ファン設計の非常に成功した一般的な使用例です。

ダクトは、自由大気中の同サイズのプロペラと比較して、ほとんどの場合、推力効率を最大 90% 向上させます^[要出典]。ダクト付きファンは静かで、推力の方向転換に適しています。シュラウドは、地上要員が回転するブレードに誤って接触するのを防ぐだけでなく、ブレード自体を外部の破片や物体から保護します。ダクトの断面積を変えることで、設計者はベルヌーイの定理に従って気流の速度と圧力に有利な影響を与えることができます。

欠点としては、シュラウド構造の追加による重量増加、ブレード先端とシュラウドのクリアランスの許容誤差の精度の必要性、フリーエアプロペラに比べて優れた振動制御の必要性、および複雑なダクト設計要件などが挙げられます。最後に、迎え角が大きい場合、シュラウドが失速して大きな抗力が生じる可能性があります。

ダクトファンには、推力または揚力を提供するファンまたはプロペラ、ファンを囲むダクトまたはシュラウド、およびファンに動力を供給するエンジンまたはモーターという 3 つの主要コンポーネントがあります。

他のファン、プロペラ、ローターと同様に、ダクテッドファンはブレードの数によって特徴付けられます。ライン・フルークツォイクバウ（RFB）SG 85には3枚のブレードがあり、ダウティ・ロートル・ダクテッド・プロパルサーには7枚のブレードがありました。^{[3] [4]}ブレードは固定ピッチまたは可変ピッチの場合があります。参照：ファン（機械）

ダクトまたはシュラウドは、ファンを囲み、ブレードの先端にぴったりとフィットする空力リングです。飛行時の負荷で変形したり、回転するブレードに触れたりしないよう、十分に頑丈に作られていなければなりません。ダクトにはいくつかの機能があります。

基本的に、このファンは、ブレードの端の周りを流れる空気によって生成される渦を減らします。これにより、空気力学的損失または抗力が減り、ファンの全体的な効率が向上します。このため、ファンを使用して推力と航空機の性能を向上させることも、同等のフリープロペラよりも小型にすることもできます。

音響シールドを提供し、エネルギーの無駄が削減されることで、プロペラからの騒音放出が大幅に削減されます。^[4]

これは、地上スタッフなどの物体が回転するブレードにぶつかるのを防ぐとともに、衝撃によるブレードの損傷を防ぐ保護装置として機能します。

翼端渦が減少すると、ファン後流の乱流も減少します。慎重に設計すれば、エンジン冷却システムからの加熱された排出物を乱流の少ないファン後流に注入して推力を高めることができます。^[4]

ダクトファンは、ファンを回転させることができるあらゆる種類のモーターで駆動できます。例としては、ピストン、ロータリー (ヴァンケル)、ターボシャフト燃焼エンジン、電気モーターなどがあります。

ファンは、パワープラントの出力シャフトに直接取り付けることも、延長されたドライブシャフトとギアを介してリモートで駆動することもできます。リモート構成では、1 つのパワープラントで複数のファンを駆動できます。

全体が一体化したユニットとして設計されたアセンブリは、ファンポッドまたはダクト推進装置と呼ばれます。^{[3] [4]}

ポッド アプローチの利点は、各コンポーネントの設計を他のコンポーネントと一致させることができるため、パフォーマンスを最大化し、重量を最小限に抑えることができることです。また、車両とそのシステムを統合するという車両設計者の作業も容易になります。

• 効率を良くするには、ブレードの先端とダクトの間の隙間を非常に小さくする必要があります。
• 回転速度、推力レベル、および対気速度が低い場合、効率の利点は減少し、逆転する可能性もあります。
• フリープロペラやローターに比べて振動レベルを低減する必要があります。
• ダクトの設計が複雑で、高度な複合材料で構築されていても重量が増加します。
• 迎え角が大きい場合、ダクトの一部が失速し、空気抵抗が発生します。^[5]

航空機用途では、シュラウドなしのプロペラの動作速度は制限されます。これは、同等のダクテッドファンよりも低速で先端速度が音速に近づくためです。フルサイズの航空機で使用される最も一般的なダクテッドファンの配置はターボファンエンジンであり、ファンを回転させる動力はガスタービンによって提供されます。高バイパス比ターボファンエンジンはほぼすべての民間航空機で使用されていますが、軍用戦闘機では通常、ファン径が小さい低バイパス比ターボファンの高速性能が向上しています。ただし、ダクテッドファンは、レシプロエンジン、ヴァンケルエンジン、電気モーターなど、軸動力源によって駆動できます。ファンテイルまたは商標名フェネストロンとして知られるダクテッドファンの一種は、ヘリコプターのテールローターの代わりとしても使用されます。

ダクトファンは、推力重量比が高いため、 ロッキード・マーティン F-35 ライトニング IIなどのVTOL航空機や、ホバークラフトなどの低速設計で好まれています。

場合によっては、シュラウド付きローターはオープンローターよりも94％効率が高くなることがあります。性能が向上する主な理由は、外向きの流れが収縮しにくくなり、より多くの運動エネルギーを運ぶためです。^[6]

模型飛行機愛好家の間では、ダクテッドファンは高性能の無線操縦模型飛行機の製作者に人気があります。グロープラグエンジンとダクテッドファンユニットの組み合わせは、スケールサイズのジェット機をモデル化する最初の実現可能な手段でした。模型スケールのターボジェットエンジンが導入されたにもかかわらず、電動ダクテッドファンは小型で低価格の模型飛行機で依然として人気があります。電動ダクテッドファン飛行機の中には、時速 320 km (200 mph) を超える速度に達するものもあります。

コンピューターで使用されるほとんどの冷却ファンには、ファン アセンブリに統合されたダクトが含まれています。ダクトは、ファンを他のコンポーネントに機械的に取り付けるためにも使用されます。

• ギアードターボファン（ジェットエンジンの一種）
• ダクトプロペラ（船舶用）
• RFB ファントレーナー（ダクテッドファン航空機の例）
• 鳥類用ジャイロプレーン（ダクテッドファンオートジャイロの例）